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岩土研究院

真空预压加固软土地基最终效果影响因素

381 2021-04-19 14:27:40

与堆载预压相比,真空预压加固软土地基最终效果主要影响因素有∶场地地质条件、抽真空作用强度及持续时间、地下水赋存情况、竖向排水体的作用等。

一、场地地质条件的影响

 1.地质条件的影响

真空预压一般用来加固软土地基,软土的渗透系数较低,在不设置竖向排水体的情况下,加固的效果很差。实际上,如果地基土的渗透系数很高,真空预压同样起不到应有的加固效果。根据真空预压加固地基机理,当加固区地基土渗透系数较大,而加固区周围土体渗透系数较小的情况下,真空预压加固地基才能取得较好效果,天然地基—一般不存在这样的情况,往往需要人为干预,干预的原则就是在加固区内设置良好的排水排气通道,在加固区周围要形成较好的密封。

真空预压加固软土地基一般需在地基中设置竖向排水体,而当加固区存在贯通砂层或"千层糕"状的土层分布时,除在加固区内设置竖向排水体外,还需在加固区周围打设密封帷幕。密封帷幕—般采用水泥搅拌桩或淤泥搅拌桩,前者属干刚性密封帷墓。造价较高,与地基土变形协调性差,后者属柔性密封帷幕,造价低,与地基土变形协调。早期工程有采用水泥搅拌桩作为密封帷幕,现在一般均采用淤泥搅拌桩,搅拌桩淤泥掺和比应根据现场地基土性状由试验确定。此外,当加固区深处有水平向贯穿砂层时,由于淤泥搅拌桩的施工深度有限,此时不宜将竖向排水体打透地基深处的贯穿砂层,而应保留-定的密封间距,以保持加固土体的密封性。 

2.场地面积及形状的影响

在同一场地。相同质条件下。直空预压场地面积大小和形状对真空预压最终效果产生影响。真空预压面积越大,形状越接近正方形。预压效果越好。场地面积与形状对真空预压加固效果的影响已得到工程界的普遍认同,但到目前为止对此仍没有一一个统一的表征,以下是几种真空预压加固地基场地形状系数的定义。

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二、抽真空作用强度对加固效果的影响

同自然界其他过程一样,在真空预压过程中,必然遵循能量守恒定理。从能量的角度来研究真空预压,对加深真空预压机理认识、提高真空预压设计水平会有一定的启示意义。

1.表征参数

抽真空作用强度是一个比较抽象的概念,需要用具体的参数来表征,如膜下真空度、单台射流泵 (7.5kW)加固面积等。膜下真空度具有明确的物理意义,即为抽真空形成的负压渗流场的恒定负压边界,其值容易测试。真空预压加固软土地基开泵量通常根据加固区面积确定,一般 600~1500m²设置一台。 2.对真空预压加固地基设计的启示

研究分析抽真空作用强度对真空预压加固效果影响,对真空预压加固地基设计有以下启示意义∶

(1)按加固土体体积来确定射流泵数量。真空预压加固软土地基设计中一般按加固区面积来确定射流泵的数量,从能量角度看,射流泵的配置应该由加固地基土的体积来确定。

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(2)根据工程需要动态设计开泵量。

真空预压加固软土地基过程中,开泵量对加固效果具有实质性影响,因此可以根据工程需要在预压的不同阶段设计不同开泵量,以此来优化射流泵的使用。举例来说,在软土地基上修筑路堤,往往采用真空联合堆载方法进行地基处理,其中抽真空作用可以一次性施加,而堆载则利用路堤自重。在地基处理过程中,要求抽真空作用施加后,能尽快填筑路堤,以尽早利用路堤荷载的预压作用,并节约工期。对此可以通过调节开泵量的方法来优化设计,具体思路如下;路堤可以填筑必须使地基强度达到稳定要求,假设常规的开泵量达到路堤填筑要求所需要的时间为 Ti,如果一开始采用较多的开泵量,这样达到路堤填筑要求的时间就可以缩短到 T2,实现尽可能早地开始堆载。在堆载完成后,可在保持膜下真空度的情况下,根据监测情况,酌情减少射流泵数量,协调预压的工程效果和经济性。由上所述,在预压过程中根据需要使用不同的开泵量,可以最大限度地利用抽真空作用可一次性施加的优点。

当然,增加开泵量虽然能够增加加固效果,但是随着射流泵的增加,其有效利用率是逐渐递减的,并且会较大幅度地增加工程造价。最优的开泵量设计应该是通过合理的使用抽真空能量,在满足工程质量要求的前提下,达到最优的综合效益。

(3)停泵标准的改进。

真空预压加固软土地基,是否可以停泵一般由以下三个标准控制∶固结度、总沉降量和沉降速率。一些工程实践表明,真空预压到一定时候,按计算得到的总沉降量和按沉降定义的固结度达到以后,沉降速率却仍然较大,难以达到停泵的设计要求。这是由于真空预压加固软土地基总沉降计算不准确等因素引起。此情况下为早 日停泵,施工单位往往会通过减少开泵量的方式使地基沉降速率满足停泵要求。这将影响真空预压加固软土地基效果。增加工后沉降量。因此,真空预压加固软土地基施工停泵控制标准中沉降速率标准应是在确定开泵量下的地基沉降速率,以避免预压后期人为减泵对地基加固效果的影响。

三、地下水赋存情况对加固效果的影响

真空预压加固软土地基过程中,持续的抽气抽水作用将导致场地地下水位的下降,地下水位下降本身导致相关土层的固结,提高真空预压的加固效果。对于地下水位下降会对软土地基起到加固作用这一点,理论界和工程界都已取得共识,但对真空预压过程中地下

水位下降机理、地下水位下降极限深度和地下水位下降大小的估计等方面开展的研究很少,并有一些分歧。

1.真空预压降低地下水位机理分析

真空预压降低地下水位机理与真空井点法类似。两者的区别在于;井点管是刚性的,而袋装砂井或塑料排水板则是柔性的;井点管的滤管只是下端的一段,而竖向排水体全长都是透水的。抽真空形成的水头差及重力作用导致了地下水的流动和吸出,使地下水位下降,这是两者导致地下水位下降的共同机理。

2.地下水位面与零压面的关系

在一般情况下,地下水表面与大气接触,因此自由液面就是零压面,即大气压面。在负压状态下,地下水表面是一定的真空状态,因此自由液面边界就不再是零压面,而是负压面。在真空预压加固软土地基过程中大气边界和负压边界同时存在,地下水自由液面就比较复杂,在加固区外,地下水自由液面即是零压面,而在加固区内,由于负压边界的存在,地下水自由液面就不是零压面,而是负的,且其值难以确定。

3.真空预压降低地下水位的极限深度

采用真空井点法降低地下水位,由其机理可知,其极限提水高度约为 10m,即一个大气压的极限提水高度。由于实际使用效率要低一些,一般单级真空井点降水的深度在 6m以内。真空预压法降低地下水位的机理与真空井点法降低地下水位机理基本相同,因此其理论极限提水高度也是10m左右,而实际极限提水高度也应该在 6m左右。另外。提水高度与地下水位下降深度在概念上并不一致,提水高度是指抽真空面与最终下降后地下水位的间距,地下水位下降深度是指最终下降后地下水位与原有地下水位的间距,在原有地下水位与抽真空作用面齐平时,两者是一样的,一般情况下,原有地下水位线略低于抽真空作用面,因此实际地下水位下降极限深度不会超过实际极限提水高度,即 6m左右。

4.真空预压加固软土地基出水量分析

真空预压加固软土地基出水量包括两个部分;一是单纯由抽真空作用而被抽出的水,由周围地下水补充;二是由于固结变形而排出的孔隙水。分析真空预压加固软土地基过程中的出水量,对有效分配抽真空设备的使用有一定参考意义。

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Q可以采用以下近似方法计算∶若真空预压加固区形状长宽比接近于1,可将打设了竖向排水体的地基视为一单井,按照单井的理论来求解地下水位的变化。若真空预压加固区形状长宽比较大,可将打设了竖向排水体的地基近似为一长度无限长的沟,按平面问题求解。

Q可通过以下思路求解∶通过真空联合堆载地基中的孔压解答得到考虑井阻和涂抹的单井固结出水量的计算公式,进而得到整个地基由于真空固结变形而排出的水量。或者,也可通过地基竖向变形量估计 Q∶假设整个地基的竖向变形体积即为地基固结排水量,则可以通过地基固结沉降量解答和地基平均固结度解答估计 Q。

四、竖向排水体对加固效果的影响

堆载预压加固软土地基,竖向排水体的作用是加快固结速度,与加固的最终效果无关。真空预压加固软土地基,竖向排水体不仅起加快固结作用,而且直接影响到真空预压负压渗流场的分布,与加固的最终效果密切相关。竖向排水体与表面砂垫层和抽真空系统一起形成一个抽气抽水的通道系统,竖向排水体通气通水的有效性直接影响到真空预压加固软土地基的效果,在真空预压加固软土地基时,抽真空作用使竖向排水体中的孔压迅速降低,与周围土体中的孔压形成差值,地基土中孔隙水排出,产生固结。抽真空作用在竖向排水体中形成的负压分布直接决定了相应深度土体的固结效果。竖向排水体中负压分布情况受以下诸多方面的影响∶竖向排水体的间距、深度、打设工艺、排水体的质量、地基沉降时竖向排水体的弯折情况等。